基于納米壓力發(fā)電機(jī)的道路減速帶能量回收裝置

摘 要：合理利用汽車本身對(duì)道路的動(dòng)力，設(shè)計(jì)回收這種能量的裝置是減少能源浪費(fèi)，延長(zhǎng)能源使用年限的有效手段。本文基于納米發(fā)電技術(shù)，提出了將標(biāo)準(zhǔn)小汽車經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為可利用的電能儲(chǔ)存起來(lái)的裝置，達(dá)到了降低汽車能耗的目的。

關(guān)鍵詞：納米發(fā)電；能量轉(zhuǎn)換；減速帶能量回收裝置；標(biāo)準(zhǔn)小汽車

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，有限的能源被大量地消耗是人類待解決的一大難題。減少能源供給的這種方式實(shí)現(xiàn)的可能性是很小的，只有從能源的有效利用和重新收集能源的方式上著手，才能有效地緩解能源短缺的壓力。公路上的汽車減速帶主要是用來(lái)控制車速的一種裝置，車碾過(guò)時(shí)總會(huì)向上一顛，這種上下運(yùn)動(dòng)就可以通過(guò)某種裝置轉(zhuǎn)化為電能。減速帶可以做成隨著汽車碾過(guò)而下降的結(jié)構(gòu)，每一次下降就可以產(chǎn)生一次電能，技術(shù)關(guān)鍵在于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置[ 1 ]。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 鑄鋼減速帶現(xiàn)狀

安裝在公路上使經(jīng)過(guò)的車輛減速的減速帶主要有兩種，分別是橡膠制和鑄鋼制的，這兩種類型的減速帶各有特點(diǎn)，橡膠減速帶具有減震性，壽命長(zhǎng)，對(duì)車磨損少等特點(diǎn)。但是，橡膠減速墊破損后，不能在原位置安裝新的減速墊，而且舊安裝位置留下的螺釘對(duì)車輛輪胎磨損大，甚至存在安全隱患，特別是過(guò)往重型車輛多或可安裝減速帶位置少的場(chǎng)所。

而鑄鋼減速帶，是使用特種鋼制作，承重在200噸以上，常用于高速公路、加油站、城市路口等超過(guò)200噸的機(jī)動(dòng)車輛出口地帶。鑄鋼減速墊耐磨性強(qiáng)，承載重力大，不變形且壽命是橡膠減速墊的5～10倍。

1.2 車輛分析

我國(guó)車輛類型繁多，可以分為五類，分別是載客車，載貨車，三輪汽車，低速貨車，摩托車和掛車，像載貨車和載客車又分為中型、輕型和微型，在這里我們僅以轎車為例進(jìn)行研究。同時(shí)，汽車經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)的質(zhì)量應(yīng)是總質(zhì)量（汽車總質(zhì)量=整備質(zhì)量+駕駛員及乘員質(zhì)量+行李質(zhì)量）。

1.3 裝置系統(tǒng)圖

我們研究的是汽車通過(guò)減速帶時(shí)，利用設(shè)計(jì)的納米壓力發(fā)電機(jī)能量回收裝置，將汽車的動(dòng)能和重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，具體設(shè)計(jì)的裝置如下所示：

1.4 裝置原理

為收集汽車經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)的能量并將其轉(zhuǎn)化成可利用的電能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套裝置，其具體工作原理如下。

汽車經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)，會(huì)給減速帶來(lái)較大的壓力和動(dòng)力，以地面為參照物，也會(huì)產(chǎn)生重力勢(shì)能。為了將更多的能量轉(zhuǎn)換成電能，使用彈性高分子襯墊（彎曲性好），將其安裝在減速帶下方。然后把氧化鋅線（ZnO）水平固定于彈性高分子襯墊下方，其兩端分別連接輸出電極并固定在襯墊下部，當(dāng)彈性襯墊在減速帶的壓力作用下變形彎曲后，氧化鋅線整體被拉伸或壓縮，同時(shí)壓電電場(chǎng)沿著線軸向建立并在兩端形成電勢(shì)差，此壓電電勢(shì)差隨著氧化鋅線的來(lái)回彎曲而驅(qū)動(dòng)電子在外電路中的往復(fù)流動(dòng)，產(chǎn)生了交變電流[ 4 ]。利用整流器將單相交流電轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的直流電。若壓力足夠大，直流電經(jīng)過(guò)控制電路流向逆變器，并向蓄電池充電；若壓力沒有達(dá)到要求，控制電路切換為停止為蓄電池充電。直流電經(jīng)逆變器變換為恒頻穩(wěn)定交流電，此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)為負(fù)載供電。

1.5 裝置的容納能力

汽車經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)產(chǎn)生的壓力是通過(guò)前后車輪傳遞給減速帶的，在汽車距離減速帶一定距離時(shí)駕駛員就會(huì)減速行駛，這個(gè)過(guò)程可以理解為汽車的制動(dòng)。所以要計(jì)算汽車制動(dòng)時(shí)前、后輪的地面法向反作用力，如圖2所示為忽略汽車的滾動(dòng)阻力偶矩和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量減速時(shí)的慣性阻力偶矩時(shí)，汽車在水平路面上制動(dòng)的受力情況。

因?yàn)橹苿?dòng)時(shí)車速較低，空氣阻力可忽略不計(jì)，則分別對(duì)汽車前、后輪接地點(diǎn)取矩，整理得前、后輪的地面法向反作用力如下式所示：

其中，F(xiàn)z1表示減速帶對(duì)前輪的法向反作用力；

Fz2表示減速帶對(duì)后輪的法向反作用力；

L表示汽車前后軸之間的距離（軸距）。

根據(jù)式1），代入相關(guān)汽車參數(shù)，即可計(jì)算得到汽車加入該納米壓力發(fā)電機(jī)的道路減速帶能量回收裝置后的承重力。

2 結(jié)語(yǔ)

由式1）結(jié)合現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)小汽車參數(shù)可計(jì)算出該裝置可輕微的提高能源利用率。然而在我國(guó)能源利用率僅為30%，與世界先進(jìn)水平相差10個(gè)百分點(diǎn)，主要產(chǎn)品耗能比世界先進(jìn)水平高40%情況下，該裝置無(wú)疑能很好的幫助緩解我國(guó)的能源危機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏朗，劉浩學(xué).汽車安全技術(shù)概論[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 瞿宏學(xué)，梅掌榮.論壓力發(fā)電在新能源潮流中的地位[J].科技資訊，2013：1-5.

[3] 衛(wèi)曉雨.且行且發(fā)電[J].科技資訊，2015：2-3.

[4] 徐志軍，初瑞清. 納米材料與納米技術(shù)化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：劉建檬（1995-），女，重慶奉節(jié)人，本科，重慶市南岸區(qū)重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸專業(yè)。